CN116001382A - 一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法，包括：抗破片群舰船防护结构。然后，通过理论计算公式，确定战斗部产生的破片群威力等级，并把单枚破片以破片群初速垂直侵彻的威力作为破片群威力等级的基准。根据材料性能和破片群威力，初步确定防护结构各层的厚度范围。初步确定前置层厚度，根据单枚破片侵彻防护结构的理论公式，确定陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层厚度取值和取值个数，从而建立仿真模型，保留可以抵御破片群侵彻的结构，然后根据面密度和单位面密度吸收能，选取更优结构。另外，可以改变前置层厚度和各层材料种类，重复以上步骤，根据实际情况选择设计方案。本发明减少仿真分析计算量，易于实现，适用范围较广。
Description
技术领域
本发明涉及舰船防护技术领域，尤其涉及一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法。
背景技术
随着战斗部装药技术的发展，战斗部爆炸后形成的破片群将具有很强的侵彻能力。目前，在舰船防弹防护领域广泛应用和研究复合装甲结构，以抵抗舰船防破片群侵彻。但是，随着复合装甲结构可以选用的材料种类和结构型式的增加，其防护机理更加复杂。因此，如何设计和优化抗破片群舰船防护结构是研究重点。
目前，已有文献研究单枚破片侵彻复合装甲的理论模型和计算公式，比如，《陶瓷/玻璃纤维/钢板复合靶板抗弹性能的研究》(杜忠华,赵国志,杨玉林.兵工学报.2003(02):219 -221.)。但是，由于破片群侵彻复合装甲情况复杂，尚未有理论公式解释破片群侵彻复合装甲的变形机理，大部分文献采用有限元方式，仿真分析破片群作用复合装甲的毁伤机理。因此，为了解决上述问题，需要研究一种简便优良的抗破片群舰船防护结构设计方法。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法，并通过理论公式和数值模拟结合的方式，简化抗破片群防护结构设计方法的步骤。
一种抗破片群舰船防护结构，自上到下依次包括：
钢板层为低碳钢；
Ⅰ纤维增强复合材料层，为UHMWPE；
陶瓷层包括Ⅰ陶瓷层、Ⅱ陶瓷层，为氧化铝陶瓷；
Ⅱ纤维增强复合材料层为UHMWPE；
陶瓷层中，陶瓷层由两层相同规格正方形的陶瓷板交错拼接组成，Ⅰ陶瓷层的正方形陶瓷块与Ⅱ陶瓷层的正方形陶瓷块面积重叠四分之一；
钢板层和Ⅰ纤维增强复合材料层组成的前置层；Ⅰ陶瓷层、Ⅱ陶瓷层、Ⅱ纤维增强复合材料层组成的抗侵彻层。
所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，包括以下步骤：
S1根据战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数，确定破片群的威力等级；
S2根据已选择的各层材料的力学性能和破片群的威力，初步确定各层的厚度范围；
S3根据实际情况，暂定前置层厚度；根据单枚破片侵彻防护结构的理论公式，确定陶瓷层、Ⅱ纤维增强复合材料层厚度取值和取值个数；
S4对不同厚度的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层厚度匹配结构，构建破片群侵彻舰船防护结构的仿真模型，确定能抵御破片群侵彻的的优化结构构型；
S5根据优化结构构型的面密度和单位面密度吸收能，从中选择更优的结构；
S6可改变前置层厚度，对比不同前置层厚度防护结构抗破片群能力，优化选择；或者重新选择钢、陶瓷和纤维增强材料种类，对比不同材料种类防护结构抗破片群能力，结合材料性能、造价、工艺条件，优化选择。
进一步的，步骤S1中，把单枚破片以破片群初速垂直侵彻威力作为破片群威力等级的基准，且战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数的计算模型为：
(1)通过Mott模型描述破片群质量和质量分布规律
式中，N0表示破片总数；M表示战斗部壳体质量；
表示破片的平均质量；N(m)为质量大于m的破片数；μi称为Mott破碎参数；i为维数；薄壁壳体以二维方式破碎成破片，则破片的平均质量
由以下公式计算得到：
式中，δ0为壳体壁厚；d0为壳体内径；K是由炸药决定的常数；
(2)Gurney公式计算破片初速度v0
式中；k为修正系数，
为战斗部的Gurney常数，β战斗部或装药的载荷系数；
(3)破片群空间散布概率函数
式中，
表示预制破片沿弹轴方向的飞散角；
表示飞散角数学期望，
近似为
为飞散角的标准差。
根据单枚破片垂直侵彻防护结构的理论模型和计算公式，分析抗侵彻层的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层厚度关系，确定Ⅱ纤维增强复合材料层厚度取值的参考值，根据参考值确定Ⅱ纤维增强复合材料层厚度取值和取值个数。
单枚破片垂直侵彻防护结构的计算公式为：
式中：cp为破片的塑性波速；dp和hp分别为破片的长度和厚度；εr和σsf分别UHMWPE的最大破坏应变和抗压强度；Mp1为第一阶段陶瓷层破碎锥角形成结束后的破片剩余质量；D靶板的成坑直径；h3、h4和hb分别为陶瓷层厚度、Ⅱ纤维增强复合材料层厚度和背板厚度；f(a)由以下公式求得：
其中，mm为Ⅱ纤维增强复合材料层面密度，Mc破碎陶瓷锥角的质量，R破碎陶瓷锥角的半径。
步骤S5中，设计结构的单位面密度吸收能计算公式如下：
式中，ρl为钢板层低碳钢密度，ρ2为Ⅰ纤维增强复合材料层密度，ρ3为陶瓷层密度，ρ4为Ⅱ纤维增强复合材料层密度，hl为钢板层厚度，h2为Ⅰ纤维增强复合材料层厚度，h3为陶瓷层厚度，h4为Ⅱ纤维增强复合材料层厚度，m破片群质量。
有益效果：
本发明一种抗破片群舰船防护结构及其设计方法，基于单枚破片垂直侵彻防护结构理论计算，减少陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层厚度取值个数，易于实现，步骤简单。通过理论计算和仿真模拟，得到了一种简便的抗破片群舰船防护结构设计方法。当防护结构各层的材料改变后，该设计方法也同样适用。
附图说明
图1是本发明抗破片群舰船防护结构设计方法的程序流程图；
图2是本发明抗破片群舰船防护结构示意图；
图3是本发明陶瓷层具体结构示意图；
图4是本发明单枚破片侵彻防护结构理论模型示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和一个具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当强调，此具体实施例仅作为示例以解释本发明，并不用于限定本发明的范围和应用。
图1给出了本发明的方法程序流程。本实施例中，一种抗破片群舰船防护结构，如图2所示，钢板层11为低碳钢，Ⅰ纤维增强复合材料层12为UHMWPE，陶瓷层包括Ⅰ陶瓷层21、Ⅱ陶瓷层22，为氧化铝陶瓷，Ⅱ纤维增强复合材料层23为UHMWPE，船体用钢材料根据舰船船体板确定。陶瓷层具体结构如图3所示，第一层Ⅰ陶瓷层21的正方形陶瓷块与第二层Ⅱ陶瓷层22的正方形陶瓷块面积重叠四分之一。陶瓷层由两层相同规格的陶瓷板交错拼接组成，陶瓷板由正方形陶瓷块组成。当破片局部侵彻陶瓷块后，对附近陶瓷块的影响较小，能够有效缩小陶瓷复合装甲受冲击的损伤部位。相比整块陶瓷板制备，陶瓷块的制备的难度和成本更低。双层陶瓷交错排列可以规避防破片薄弱点的风险。
钢板层11和Ⅰ纤维增强复合材料层12组成的前置层1，是为了防止陶瓷崩落，其相对厚度较小。Ⅰ陶瓷层21、Ⅱ陶瓷层22、Ⅱ纤维增强复合材料层23组成的抗侵彻层2，是主要发挥抗破片群侵彻作用的部分，陶瓷层对破片侵蚀进行墩粗，Ⅱ纤维增强复合材料层23和船体用钢既可以为陶瓷提供刚度支撑，也可以继续吸收剩余冲击动能，其相对厚度较大。
具体方法步骤如下：
第一步：确定各层材料种类，钢板层11为低碳钢，Ⅰ纤维增强复合材料层12为UHMWPE，陶瓷层为氧化铝陶瓷，Ⅱ纤维增强复合材料层23为UHMWPE，船体用钢材料和厚度根据舰船船体板确定。设计变量为钢板层11厚度h1、Ⅰ纤维增强复合材料层12厚度h2，陶瓷层厚度h3、Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度h4。
第二步：根据战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数，确定破片群的威力等级。破片群飞散的姿态不定，单枚破片以垂直姿态冲击侵彻防护结构时的侵彻能力最强，于是，设计的防护结构至少需要抵御单枚破片以破片群初速垂直侵彻威力。
(1)通过Mott模型描述破片群质量和质量分布规律
上述两个公式中，N0表示破片总数；M表示战斗部壳体质量；
表示破片的平均质量。N(m)为质量大于m的破片数；μi称为Mott破碎参数；i为维数。研究表明，薄壁壳体以二维方式破碎成破片，则破片的平均质量
由以下公式计算得到：
式中，δ0为壳体壁厚；d0为壳体内径；K是由炸药决定的常数。
(2)战斗部为圆柱形战斗部，使用Gurney公式计算破片初速度v0
式中；k为修正系
数，
为战斗部的Gurney常数，β战斗部或装药的载荷系数。
(3)破片群空间散布概率函数
式中，
表示预制破片沿弹轴方向的飞散角；
表示飞散角数学期望，
近似为
为飞散角的标准差。
单枚破片以垂直姿态冲击侵彻防护结构时的侵彻能力最强，于是，设计的防护结构至少需要抵御单枚破片以破片群初速垂直侵彻威力，确定破片群威力等级略高于单枚破片初速垂直侵彻防护结构的威力。
第三步：根据已选择的各层材料的力学性能和破片群的威力，初步确定各层的厚度范围。
假如破片初速约为1500m/s到1600m/s，根据各层材料性能，可初步确定前置层1厚度取值范围为3～8mm，单层陶瓷板厚度在14～20mm之间，超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)板厚度在10～30mm之间。
第四步：根据实际情况，暂定前置层1厚度。确定陶瓷层厚度取值和取值个数。根据理论公式分析抗侵彻层2的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度关系，确定Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度取值的参考值，根据参考值确定Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度取值和取值个数。
根据实际情况，暂定前置层1厚度为5mm，钢板层11厚度h1为3mm，Ⅰ纤维增强复合材料层12层厚度h2为2mm。单枚破片侵彻防护结构理论模型如图4所示。
前置层1相对厚度较小，可以其对破片的影响较小，可忽略。即单枚破片以破片初速垂直侵彻抗侵彻层2。根据理论公式确定陶瓷层厚度h3和Ⅱ纤维增强复合材料层23层厚度h4和背板(船体用钢)hb的关系。
式中：
cp为破片的塑性波速；
dp和hp分别为破片的长度和厚度；
εr和σsf分别UHMWPE的最大破坏应变和抗压强度；
Mp1为第一阶段陶瓷层破碎锥角形成结束后的破片剩余质量；
本实施例中，根据舰船船体板的情况，背板厚度hb取值是确定的。单层陶瓷板厚度0.5h3取14～20mm中7个整数值，根据公式(6)可以得到Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度h4ref。把h4ref作为Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度的参考值，在参考值附近取Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度值，比参考值小的值取2个，比参考值大取4个。
第五步：对不同厚度的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度匹配结构，构建破片群侵彻舰船防护结构的仿真模型，确定能抵御破片群侵彻的优化结构构型。
第六步：根据优化结构构型的面密度和单位面密度吸收能，从中选择更优的结构。
设计结构的单位面密度吸收能计算公式如下：
式中，ρl为低碳钢密度，ρ2为Ⅰ纤维增强复合材料层12密度，ρ3为陶瓷层密度，ρ4为Ⅱ纤维增强复合材料层23密度，hl为钢板层11厚度，h2为Ⅰ纤维增强复合材料层12厚度，h3为陶瓷层厚度，h4为Ⅱ纤维增强复合材料层23厚度，m破片群质量。本实例中，Ⅰ纤维增强复合材料层12和Ⅱ纤维增强复合材料层23都采用UHMWPE，即密度相同。
第七步：可改变前置层1厚度，重复步骤四到六，对比不同前置层1厚度防护结构抗破片群能力，优化选择。也可重新选择钢、陶瓷和纤维增强材料种类，对比不同材料种类防护结构抗破片群能力，结合材料性能、造价、工艺等条件，优化选择。
Claims (6)
1.一种抗破片群舰船防护结构，其特征在于，自上到下依次包括：
钢板层(11)为低碳钢；
Ⅰ纤维增强复合材料层(12)，为UHMWPE；
陶瓷层包括Ⅰ陶瓷层(21)、Ⅱ陶瓷层(22)，为氧化铝陶瓷；
Ⅱ纤维增强复合材料层(23)为UHMWPE；
陶瓷层中，陶瓷层由两层相同规格正方形的陶瓷板交错拼接组成，Ⅰ陶瓷层(21)的正方形陶瓷块与Ⅱ陶瓷层(22)的正方形陶瓷块面积重叠四分之一；
钢板层(11)和Ⅰ纤维增强复合材料层(12)组成的前置层(1)；Ⅰ陶瓷层(21)、Ⅱ陶瓷层(22)、Ⅱ纤维增强复合材料层(23)组成的抗侵彻层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1根据战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数，确定破片群的威力等级；
S2根据已选择的各层材料的力学性能和破片群的威力，初步确定各层的厚度范围；
S3根据实际情况，暂定前置层(1)厚度；根据单枚破片侵彻防护结构的理论公式，确定陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值和取值个数；
S4对不同厚度的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度匹配结构，构建破片群侵彻舰船防护结构的仿真模型，确定能抵御破片群侵彻的的优化结构构型；
S5根据优化结构构型的面密度和单位面密度吸收能，从中选择更优的结构；
S6可改变前置层(1)厚度，对比不同前置层(1)厚度防护结构抗破片群能力，优化选择；或者重新选择钢、陶瓷和纤维增强材料种类，对比不同材料种类防护结构抗破片群能力，结合材料性能、造价、工艺条件，优化选择。
3.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S1中，把单枚破片以破片群初速垂直侵彻威力作为破片群威力等级的基准，且战斗部产生的破片群质量、初速和空间散布概率函数的计算模型为：
(1)通过Mott模型描述破片群质量和质量分布规律
式中，N0表示破片总数；M表示战斗部壳体质量；
表示破片的平均质量；N(m)为质量大于m的破片数；μi称为Mott破碎参数；i为维数；薄壁壳体以二维方式破碎成破片，则破片的平均质量
由以下公式计算得到：
式中，δ0为壳体壁厚；d0为壳体内径；K是由炸药决定的常数；
(2)Gurney公式计算破片初速度v0
式中；k为修正系数，
为战斗部的Gurney常数，β战斗部或装药的载荷系数；
(3)破片群空间散布概率函数
式中，
表示预制破片沿弹轴方向的飞散角；
表示飞散角数学期望，
近似为
为飞散角的标准差。
4.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S3中，根据单枚破片垂直侵彻防护结构的理论模型和计算公式，分析抗侵彻层(2)的陶瓷层和Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度关系，确定Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值的参考值，根据参考值确定Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度取值和取值个数。
5.根据权利要求4所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，单枚破片垂直侵彻防护结构的计算公式为：
式中：cp为破片的塑性波速；dp和hp分别为破片的长度和厚度；εr和σsf分别UHMWPE的最大破坏应变和抗压强度；Mp1为第一阶段陶瓷层破碎锥角形成结束后的破片剩余质量；D靶板的成坑直径；h3、h4和hb分别为陶瓷层厚度、Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度和背板厚度；f(a)由以下公式求得：
其中，mm为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)面密度，Mc破碎陶瓷锥角的质量，R破碎陶瓷锥角的半径。
6.根据权利要求2所述的一种抗破片群舰船防护结构设计方法，其特征在于，步骤S5中，设计结构的单位面密度吸收能计算公式如下：
式中，ρl为钢板层(11)低碳钢密度，ρ2为Ⅰ纤维增强复合材料层(12)密度，ρ3为陶瓷层密度，ρ4为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)密度，hl为钢板层(11)厚度，h2为Ⅰ纤维增强复合材料层(12)厚度，h3为陶瓷层厚度，h4为Ⅱ纤维增强复合材料层(23)厚度，m破片群质量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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